Tiefseeregionen für die Rohstoffsuche
Mengen metallischer Rohstoffe – was schlummert im Meer?
- Wir kennen am Meeresboden bislang nur wenige Vorkommen an Massivsulfiden.
- Wenn man die Gehalte an den Elementen hochrechnet, würde das bei den gegenwärtigen Produktionszahlen an Land für lediglich ein Jahr Kupfer- und Zinkgewinnung reichen.
- Manganknollen und Kobaltkrusten hingegen gibt es am Meeresboden in riesigen Mengen. Es lohnt sich daher auch für ein Industrieland wie Deutschland, darin eine Chance für die zukünftige sichere Rohstoffversorgung zu sehen.
Herr Petersen, welches sind die Elemente, die beim Tiefseebergbau am meisten gebraucht werden und die am vielversprechendsten sind?
Dr. Petersen: Hier muss man drei Rohstoffarten unterscheiden. Bei den Manganknollen ist die klassische Herangehensweise, auf Kupfer, Nickel und Kobalt als Wertelemente zu schauen. Die wirtschaftlichen Konzentrationen liegen zwischen 2,5 und 3 Gewichtsprozent (wt %) für die Summe der drei genannten Elemente. Hinzu kommt noch das Element Mangan selbst. In konservativen Wertberechnungen wird dies oft nicht berücksichtigt, weil wir an Land sehr viele abbauwürdige Manganvorkommen kennen. Bei einem marinen Manganknollenbergbau würde sehr viel zusätzliches Mangan auf den Weltmarkt kommen, dessen Absatz jedoch ungewiss ist. Die Bestrebung von Firmen, die sich mit dem marinen Bergbau auf Manganknollen beschäftigen, ist es natürlich das Abfallaufkommen zu minimieren: das würde im Idealfall „Zero Waste“, also keinerlei Abfall bedeuten. Bei der Gewinnung von nur 3 Prozent Nickel, Kobalt und Kupfer würden allerdings 97 Prozent Abfall anfallen. Die zusätzliche Nutzung von Mangan würde daher durchaus Sinn machen, da ja ansonsten der manganhaltige Abfall als Sondermüll zu behandeln und damit die Entsorgung sehr teuer wäre. Es macht also Sinn, das Mangan zu verkaufen, um Geld dafür zu bekommen und gleichzeitig weniger Abfallstoffe zu haben. Wenn bei der Aufbereitung auch noch die Schlacke wirtschaftlich genutzt werden kann, um sie z.B. für den Straßenbau zu nutzen, fällt kein teurer Abfall mehr an. Ob diese Aufbereitung im großen Maßstab funktioniert ist noch nicht nachgewiesen. Zusätzlich zu den oben genannten Elementen könnten weitere Spurenmetalle und eventuell auch noch die Seltenen Erden interessant sein, wovon ein paar Tausend Gramm pro Tonne enthalten sein können. Die Gewinnung der Seltenen Erden aus Manganknollen ist technisch allerdings auch noch nicht wirtschaftlich im großen Maßstab machbar.
Wie sieht das bei Kobaltkrusten aus?
Dr. Petersen: Kobaltkrusten heißen ja so, weil sie an Kobalt deutlich mehr angereichert sind, als die Manganknollen. Dafür enthalten sie, verglichen mit Manganknollen, geringere Mengen Nickel und Kupfer, aber erhöhte Konzentrationen an Seltenen Erden. Wenn also ein Industrieland eine Kobaltquelle für seine zukünftige Versorgung aufmachen will, dann sollten sie vielleicht lieber nach Kobaltkrusten schauen. Wenn sie alles haben wollen – Kobalt, Nickel und Kupfer –, dann könnten sie auch auf Manganknollen zurückgreifen. Es treten darüber hinaus weitere Spurenmetalle auf, bei denen das Problem jedoch darin liegt, dass sie mit den bisherigen Methoden kaum wirtschaftlich zu extrahieren und somit gewinnbringend zu verkaufen sind.
Und die Massivsulfide?
Dr. Petersen: Massivsulfide enthalten vornehmlich als Hauptwertmetalle Kupfer und Zink, sowie teilweise auch Gold und Silber. Für den Abbau interessante Spurenelemente wären auch Indium, Tellur, oder Wismut. Hier sind die Konzentrationen in verschiedenen Vorkommen allerdings sehr variabel und oft so gering, dass sich die Gewinnung wirtschaftlich nicht lohnt. Wir untersuchen zuallererst die geochemische und mineralogische Zusammensetzung solcher Vorkommen. Denn hier gibt es einen großen Unterschied zu Manganknollen und Kobaltkrusten, die, zumindest lokal gesehen, eine sehr homogene chemische Zusammensetzungen haben und sich eher ozeanweit unterscheiden (Anmerkung: Der Pazifik ist aufgrund der meist höheren Kobalt-, Nickel-, und auch Kupfergehalte in Knollen und Krusten deutlich interessanter für den Rohstoffabbau als diejenigen des Atlantik oder des Indischen Ozeans). Bei den Massivsulfiden ist es aber so, dass die einzelnen Vorkommen extrem unterschiedlich sind. Wir versuchen diese Vorkommen zu finden und zu verstehen, warum sie so unterschiedlich sind, um auch Hinweise darauf zu geben, wo man nach bestimmten Vorkommen mit erhöhten Gehalten an z.B. Kupfer, Zink und Gold suchen könnte.
Sie schreiben in einem Artikel, der 2016 in der Fachzeitschrift „Marine Policy“ veröffentlicht wurde, dass Manganknollen und kobaltreiche Eisen-Mangan-Krusten eine reichhaltige Ressource sind. Ihr Abbau hätte auf dem globalen Markt einen großen Einfluss. Allerdings ist das Potential der Massivsulfide eher gering. Wieso ist das so? Gerade Gold und Kupfer spielen doch zum Beispiel für den Digitalisierungsmarkt und für grüne Technologien eine große Rolle.
Dr. Petersen: Wir kennen am Meeresboden bislang nur wenige Vorkommen an Massivsulfiden. Wenn wir hier die Gehalte an den Elementen hochrechnen und theoretisch alle bekannten Vorkommen abbauen würden – was völlig unwirtschaftlich wäre – würde das bei den gegenwärtigen Produktionszahlen an Land für lediglich ein Jahr Kupfer- und Zinkgewinnung reichen. Es hat also keinen Einfluss auf die globale Rohstoffversorgung. Manganknollen und Kobaltkrusten hingegen gibt es am Meeresboden in riesigen Mengen. Es lohnt sich daher auch für ein Industrieland wie Deutschland, darin eine Chance für die zukünftige sichere Rohstoffversorgung zu sehen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann natürlich eine Firma Interesse an einem Abbau von submarinen Massivsulfiden haben. Bislang hat jedoch noch niemand gezeigt, dass man damit auch Gewinn machen kann. Das heißt in der Summe: Im Moment benötigen wir keinen marinen Bergbau. Wir haben an Land noch genügend Rohstoffe, um die Menschheit für die nächsten Dekaden zu versorgen. Es gibt derzeit keine Knappheit an Metallen an Land, die uns zwingt, jetzt in der Tiefsee Bergbau zu betreiben. Aber auch diese Dekaden werden irgendwann zu Ende sein, und es würde den wirtschaftlich führenden Nationen gut zu Gesicht stehen, sich rechtzeitig Gedanken zur zukünftigen Rohstoffversorgung zu machen. Dabei sollte man die marinen Rohstoffe nicht per se außen vor lassen.
Wenn man Aufnahmen von Schwarzen Raucher sieht, wirkt es oft so, als ob dort in kürzester Zeit sehr viel passiert, daher könnte man ja denken, dass sie auch schnell wachsen. Sind Massivsulfide nachwachsende Rohstoffe? Wie lange dauert es, bis sich Massivsulfide oder Manganknollen bilden?
Dr. Petersen: Wir wissen, dass es für die Manganknollen nur wenige zehn Millimeter pro Millionen Jahre sind. Die Krusten wachsen noch langsamer als die Manganknollen. Für die Massivsulfide liegen die Wachstumsraten deutlich höher, aber immer noch Größenordnungen entfernt von nachwachsenden Rohstoffen. Durch unsere Untersuchungen am GEOMAR wissen wir, dass die Wachstumsraten von schwarzen Rauchern bei vermutlich weniger als 1000 Tonnen pro Jahr liegen. Das heißt, es handelt sich nicht um nachwachsende Rohstoffe, zumindest nicht aus menschlicher Perspektive. Die Rechnung ist einfach: Einem jährlichen Bedarf von zwei Millionen Tonnen für den Abbau stehen vielleicht 1000 Tonnen gegenüber, die man geliefert bekommt, das ist auf keinen Fall nachwachsend.
Wie hoch schätzen Sie den Gewinn, der bei der Manganknollenernte und beim Abbau von Massivsulfiden zu erzielen ist? Wie schätzen Sie ihn im Vergleich zum Tagebau an Land ein?
Dr. Petersen: Es gibt einen großen Unterschied, wenn man die gleichen Rohstoffe an Land gewinnen möchte. Man würde zum Beispiel an Land eine Lagerstätte mit einem Prozent Nickel abbauen. Für Kupfer würde man dann eine andere Lagerstätte nutzen, typischerweise die großen Copper Porphyries, die auch etwa ein Prozent Kupfer oder auch weniger enthalten. Dann müsste man noch eine dritte Lagerstätte abbauen, die reich an Kobalt ist. Zum Beispiel im Kongo, einem Land, in dem es unter anderem auch wegen der Rohstoffe Bürgerkrieg gibt. Für die gleiche Menge an Rohstoffen bräuchte man an Land in drei unterschiedlichen Gebieten Lagerstätten. Im Kongo müsste man sich mit dem Thema Bürgerkrieg und der Abholzung von Regenwald auseinandersetzen. Nickel wird normalerweise ebenfalls aus Regenwaldgebieten, z.B. in Neukaledonien gewonnen. Hier würden marine Rohstoffvorkommen vielleicht im Vorteil sein. So haben die Manganknollen aus dem Meer sowohl ein Prozent Nickel und den gleichen Anteil an Kupfer und Kobalt. Man könnte also mehr Rohstoffe pro Lagerstätte gewinnen als bei Lagerstätten an Land. Aus diesen Gründen wäre der marine Bergbau vielleicht sinnvoll, allerdings würden dabei in der Tiefsee riesige Gebiete beeinflusst. Allerdings sollte man fairer Weise dazu sagen, das mariner Abbau niemals Landbergbau ersetzen wird. Dafür wächst der globale Rohstoffverbrauch zu stark.
Sie sagen, dass beim Meeresbergbau unweigerlich Fragen zur Auswirkung auf die dortigen Ökosysteme auftreten. Worauf kann oder muss sogar beim Abbau geachtet werden, um das Ökosystem zu schützen? Was kann man zur Energiebilanz sagen?
Dr. Petersen: Fangen wir einmal mit dem reinen Flächenbedarf an. Bei den drei genannten Rohstoffen kommt es beim Abbau der gleichen Menge Erz zu extrem unterschiedlichen Umweltbeeinträchtigungen. Manganknollen und Kobaltkrusten sind zweidimensionale Vorkommen. Sie liegen oben auf dem Meeresboden und bedecken riesige Areale. Beispielsweise werden circa 150 Quadratkilometer benötigt, um zwei Millionen Tonnen Manganknollen zu gewinnen. Bei Kobaltkrusten mit einer Dicke von vier Zentimeter und bei einer Bedeckung von größeren zusammenhängenden Bereichen reichen etwa 20–25 Quadratkilometer aus. Für den Abbau der gleichen Menge Erz aus den dreidimensionalen Massivsulfidvorkommen wären es hingegen weniger als ein halber Quadratkilometer.
Vergleich der Metallgehalte aus Manganknollen aus der Clarion-Clipperton-Zone und dem Abbau globaler Reserven an Land. Gegenübergestellt wurden nur ausgewählte Metalle.
Zahlen aus: World Ocean Review 3; Grafik: Wissensplattform Erde und Umwelt, eskp.de
Extremophile: Leben an Schwarzen Rauchern.
Exkurs: Meeresbergbau rückt näher an die Küste
Trotz aller Bedenken hinsichtlich der Empfindlichkeit der Meeresumwelt und der Ökosysteme rückt ein möglicher Tiefseebergbau schnell näher. So wurden die ersten Explorationslizenzen für Manganknollen im zentralen Pazifik bereits 2001 von der Internationalen Meeresbodenbehörde vergeben. In anderen Teilen der Weltmeere werden erzhaltige Massivsulfide an ehemals heißen mineralhaltigen Quellen (sog. Schwarze Raucher) und kobaltreiche Eisen-Mangankrusten auf dem felsigen Meeresboden auf ihre Eignung als zukünftiger Rohstoff untersucht. Aber auch der küstennahe Kontinentalschelf, auf dem bislang vorwiegend nach Öl- und Gasvorkommen gesucht wurde, könnte in den Fokus rücken. In einem Beitrag in Nature Geoscience betrachtet eine Gruppe von Forschenden vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel mögliche Chancen eines untermeerischen Bergbaus an den Ozeanrändern.
Von Meerwasser bedeckte kontinentale Gesteine, die von der Fläche etwa ein Drittel der globalen Landmasse ausmachen liegen vor den Küsten. Von der Struktur und Zusammensetzung sind diese Gebiete den Kontinenten sehr ähnlich und lassen Vorkommen, die an Land abgebaut werden, auch hier vermuten. Dies wird auch durch die Tatsache unterstützt, dass es sehr viele Ressourcen im unmittelbaren Küstensaum gibt. Die Kieler Geologen prognostizieren große Lagerstätten unterhalb des Meeresbodens in verschiedenen Schelfregionen der Welt. Dazu könnten Goldvorkommen vor der Küste Westafrikas, Nickelvorkommen im arktischen Ozean, und Blei-Zink-Vorkommen im Golf von Mexiko oder im Mittelmeer gehören.
Wie bewerten Sie den Einfluss auf die marine Flora und Fauna?
Dr. Petersen: Die Lebenswelt ist jeweils extrem unterschiedlich. Die alte ozeanische Kruste in der Tiefsee, auf der Manganknollen und Kobaltkrusten entstehen, beherbergt extrem langsam reproduzierende Faunengemeinschaften mit großer Artenvielfalt. Diese reagieren auf Eingriffe auch nur sehr langsam. Massivsulfide hingegen wachsen in einem vulkanisch aktiven Milieu, mit häufigen Lavaeruptionen. Diese Ökosysteme können sich vermutlich schneller regenerieren. Ich würde jedoch nicht erwarten, dass sich diese Systeme nach einem Bergbautest auf Manganknollen oder Kobaltkrusten innerhalb menschlicher Zeiträume regenerieren. Hierzu gab es schon Tests, die unter anderem von Deutschland durchgeführt worden sind. So wurden beim TUSCH-Projekt Ende der 1980er-Jahre mit einer umgebauten Pflugegge zehn Quadratkilometer des Meeresbodens durchpflügt und dann jeweils einen Monat, ein Jahr später und sieben Jahre später die Veränderung dokumentiert. Die Ergebnisse waren eindeutig: Das dortige Ökosystem hat sich massiv geändert und ist nicht zu seinem Ursprungszustand zurückgekehrt. Das kann man aber auch gar nicht erwarten. Es kommt noch hinzu, dass es sich bei den Manganknollen selbst und dem weichen Sediment darunter um zwei ganz unterschiedliche Habitate handelt, die von unterschiedlichen Tieren besiedelt werden.
Was passiert dabei genau?
Dr. Petersen: Beim Abbau wird das Hartsubstrat (Manganknolle) entfernt und es bleibt nur das Sediment übrig, in dem andere Fauna lebt. Dazu zählen zum Beispiel Fadenwürmer (Nematoden). Das Hartsubstrat ist auch nach sieben Jahren nicht wieder da. Das heißt, Schwämme, Kaltwasserkorallen oder Anemonen können diese Flächen nicht wieder besiedeln. Alles was ein Hartsubstrat als Lebensraum braucht, wird nicht wiederkommen. Vor diesem Hintergrund gab es die Überlegung, künstliche Manganknollen wieder zuzufügen, zum Beispiel aus Beton. Aber auch hier sind die Auswirkungen unbekannt. Wenn Beton mit Meerwasser reagiert, könnten zum Beispiel Komponenten freigesetzt werden, die wiederum für marine Faunengemeinschaften schädlich sind. Faunengemeinschaften, die das Weichsubstrat (Sediment) benötigen, können hingegen wiederkommen, vielleicht sogar in einer ähnlichen Zusammensetzung wie vorher. Aber das Hartsubstrat ist unwiederbringlich verloren. Das heißt, große Areale werden unwiederbringlich verändert.
Ist das an Land nicht auch so?
Dr. Petersen: Natürlich gibt es an Land genauso Beeinträchtigungen durch den Bergbau. Ebenfalls bei der Landwirtschaft oder der Erweiterung unserer Städte. In allen Bereichen verändern wir durch menschliches Handeln vorhandene Landschaften. Die Menschen neigen dazu, in neuen Nutzungsformen immer etwas Besonderes zu sehen. Aber in Schleswig-Holstein ist kein einziger Quadratmeter mehr ursprünglich, alles ist durch den Menschen verändert.
Was ist der Unterschied zum Beispiel zum Tagebau in Regenwaldgebieten oder anderen Regionen mit hoher Biodiversität, wo ja auch nicht nur das direkte Ökosystem, sondern auch das Grundwasser oder der Boden nachhaltig durch freigesetzte Mineralphasen oder Chemikalien geschädigt werden? Wie sind die Einflüsse auf Umwelt, Ökosysteme, lokale Bevölkerung und die Energiebilanz vom Abbau von Rohstoffen in terrestrischen Erzlagerstätten mit denen in der Tiefsee zu vergleichen?
Dr. Petersen: Das ist eine gesellschaftliche Diskussion, die kommen muss. Beim Bergbau in der Tiefsee kommt es zu dramatischen Auswirkungen. Den Leuten ist jedoch meistens nicht bewusst, dass wir diese Auswirkungen für die Erfüllung unseres Lebensstandards an Land auch haben. Die Lagerstätten an Land sind meistens als dreidimensionale Körper ausgebildet. Dieser Körper liegt aber oft unterhalb der Oberfläche. Das heißt, es müssen riesige Mengen Abraum bewegt und irgendwo gelagert werden, um an das Erz zu kommen. Es müssen Straßen, Schächte oder auch ganze Städte für den Abbau angelegt werden. Das bedeutet: Auch die Umweltauswirkungen an Land sind sehr groß. In der Tiefsee hingegen besteht natürlich eine geringere Beeinflussung der Bevölkerung. Es muss keine größere Infrastruktur gebaut werden, auch Umsiedlungen der Bevölkerung gibt es sicher nicht. Da der marine Abbau noch nicht existiert, haben wir zudem die Möglichkeit, durch gute gesetzliche Grundlagen und Umweltstandards den Abbau im Vorfeld besser zu regulieren, als wir das im Landbergbau geschafft haben. Dazu müssen wir die Regularien, die im Moment entwickelt werden, in einem offenen, transparenten Prozess voranbringen. An Land waren solche Voraussetzungen oft nicht gegeben. Ein Teil des Kobaltabbaus im Kongo erfolgt mit Sicherheit nicht nach Umweltstandards, die wir uns in Deutschland und in der Europäischen Union wünschen.
Kann man das Volumen der Vorkommen in der Region, in der Sie forschen, abschätzen?
Dr. Petersen: Ja, das kann man, wenn auch sehr grob. Für das GEOMAR schätzen wir die weltweiten Vorkommen von Massivsulfiden am dortigen Meeresboden auf ca. 600 Millionen Tonnen Erz. Dies beruht auf der Hochrechnung von Ergebnissen aus relativ gut untersuchten Referenzgebieten weltweit. In dieser Erzmenge sind Kupfer und Zink in einer Menge enthalten, die der derzeitigen Jahresproduktion von Kupfer und Zink an Land entsprechen. Daher unsere eher pessimistische Einschätzung der Auswirkungen eines solchen Abbaus auf die globale Rohstoffversorgung. Das bezieht sich aber nur auf diese schmale Linie entlang der neovulkanischen Zonen in der Spreizungszone. Das Potential im ganzen Ozean ist vermutlich deutlich größer, weil jeder Bereich des Ozeanbodens ja im Laufe seiner Geschichte an einer Rückenachse entstanden ist und damit theoretisch auch ein inaktives Vorkommen enthalten kann.
Wo liegen die Probleme, um das Potential genauer bewerten zu können?
Dr. Petersen: Wir haben überall außerhalb der Rückenachse mit Sedimentbedeckung zu kämpfen. Und wir wissen auch überhaupt nicht, was mit den inaktiven Sulfidvorkommen nach ihrer Entstehung passiert. Verrosten sie vielleicht sogar vollständig im sauerstoffreichen Meerwasser? Sind sie nach wenigen hunderttausend Jahren überhaupt noch da? Das kann kein Mensch beantworten. Wir wissen nicht, ob Massivsulfide in einem zehn Millionen Jahre alten Ozeanboden noch vorkommen. Es gibt keine Technologie, die durch eine 100 Meter dicke Sedimentschicht durchsehen kann. Das heißt, da ist noch nichts untersucht. Wir wissen, dass einige Vorkommen überleben, da es sie ja durch Obduktionsprozesse an Land auch gibt. Das sind die Stellen, wo wir sie heute an Land abbauen können. Aus der Forschung an Land wissen wir aber auch, dass alle diese Vorkommen in der Nähe der Subduktionszonen entstanden sind, also relativ kontinentnah und nicht an den mittelozeanischen Rücken an denen wir heute die meisten Vorkommen kennen.
Worin liegt die Rolle der Forschung am GEOMAR auch global gesehen? Woran arbeiten Sie momentan?
Dr. Petersen: Was wir hauptsächlich machen: Wir versuchen Politiker und andere Interessenvertreter über das geologische Rohstoffpotential zu informieren. Viele Menschen vermuten, dass es in der Tiefsee gewaltige Metallvorkommen gibt. Allerdings sind dies alles nur sehr grobe Schätzungen, denn wir kennen den Meeresboden nicht genau.
Wir versuchen also, die Potentiale dieser Rohstoffe, Manganknollen und Massivsulfide aufgrund von geologischen Beobachtungen hochzurechnen und Ressourcenpotentiale globaler Art anzugeben. An Kobaltkrusten arbeiten wir im Moment nicht. Das machen wir z.B., indem wir globale Datensätze wie satellitengestützte Topographie (Altimetrie), das Alter des Meeresbodens und andere geophysikalische Informationen danach bewerten, wo Manganknollen überhaupt geologisch gesehen vorkommen könnten. Mit Beprobung und Informationen, die wir von Forschungsfahrten bekommen, können wir sehen, ob dort tatsächlich Manganknollen auftreten. Wir rechnen dann hoch, wie groß das globale Rohstoffpotential ist.
Theoretisch sind die regionalen geologischen Bedingungen für das Auftreten von Manganknollen auf ca. 73 Millionen km2 erfüllt. Das heißt aber nicht, dass dies auf allen diesen Flächen auch tatsächlich der Fall ist. Wir erforschen auch, welche lokalen geologischen Kriterien erfüllt sein müssen damit sich Manganknollen oder Kobaltkrusten bilden können. Wo sind solche Kriterien gegeben? Wo könnte Exploration stattfinden? Aufgrund unserer Historie als Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns jedoch meist mit den sogenannten schwarzen Rauchern. Das heißt, mit den Massivsulfiden, die entlang der mittelozeanischen Rücken in vulkanisch aktiven Gebieten vorkommen. Wir entwickeln für diese Bereiche Erkundungstechnologien wie beispielsweise autonome Unterwasserfahrzeuge und Sensoren, die uns anzeigen können, wo solche Vorkommen auftreten.
Vielen Dank für das Gespräch
Auszug aus einem Interview, das Dr. Christina Bonanati für ESKP führte.
DOI
https://doi.org/10.2312/eskp.2018.2.2.2
Zitiervorschlag: Petersen, S. (2018). Mengen metallischer Rohstoffe – was schlummert im Meer? [Interview]. In O. Jorzik, J. Kandarr & P. Klinghammer (Hrsg.), ESKP-Themenspezial Rohstoffe in der Tiefsee. Metalle aus dem Meer für unsere High-Tech-Gesellschaft (S. 31-36). Potsdam: Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ. doi:10.2312/eskp.2018.2.2.2